神经网络入门篇：详解为什么需要非线性激活函数？（why need a nonlinear activation function?）

为什么需要非线性激活函数？

为什么神经网络需要非线性激活函数？事实证明：要让的神经网络能够计算出有趣的函数，必须使用非线性激活函数，证明如下：

这是神经网络正向传播的方程，现在去掉函数\(g\)，然后令\(a^{[1]} = z^{[1]}\)，或者也可以令\(g(z)=z\)，这个有时被叫做线性激活函数（更学术点的名字是恒等激励函数，因为它们就是把输入值输出）。为了说明问题把\(a^{[2]} = z^{[2]}\)，那么这个模型的输出\(y\)或仅仅只是输入特征\(x\)的线性组合。

如果改变前面的式子，令：

(1) \(a^{[1]} = z^{[1]} = W^{[1]}x + b^{[1]}\)

(2) \(a^{[2]} = z^{[2]} = W^{[2]}a^{[1]}+ b^{[2]}\)

将式子(1)代入式子(2)中，则：

\(a^{[2]} = z^{[2]} = W^{[2]}(W^{[1]}x + b^{[1]}) + b^{[2]}\)

(3) $a^{[2]} = z^{[2]} = W^{[2]}Wx + W^{[2]}b + b^{[2]} $

简化多项式得

$a^{[2]} = z^{[2]} = W^{'}x + b^{'} $

如果是用线性激活函数或者叫恒等激励函数，那么神经网络只是把输入线性组合再输出。

稍后会谈到深度网络，有很多层的神经网络，很多隐藏层。事实证明，如果使用线性激活函数或者没有使用一个激活函数，那么无论的神经网络有多少层一直在做的只是计算线性函数，所以不如直接去掉全部隐藏层。在的简明案例中，事实证明如果在隐藏层用线性激活函数，在输出层用sigmoid函数，那么这个模型的复杂度和没有任何隐藏层的标准Logistic回归是一样的，如果愿意的话，可以证明一下。

在这里线性隐层一点用也没有，因为这两个线性函数的组合本身就是线性函数，所以除非引入非线性，否则无法计算更有趣的函数，即使的网络层数再多也不行；只有一个地方可以使用线性激活函数------\(g(z)=z\)，就是在做机器学习中的回归问题。\(y\)是一个实数，举个例子，比如想预测房地产价格，\(y\) 就不是二分类任务0或1，而是一个实数，从0到正无穷。如果\(y\)是个实数，那么在输出层用线性激活函数也许可行，的输出也是一个实数，从负无穷到正无穷。

总而言之，不能在隐藏层用线性激活函数，可以用ReLU或者tanh或者leaky ReLU或者其他的非线性激活函数，唯一可以用线性激活函数的通常就是输出层；除了这种情况，会在隐层用线性函数的，除了一些特殊情况，比如与压缩有关的，那方面在这里将不深入讨论。在这之外，在隐层使用线性激活函数非常少见。因为房价都是非负数，所以也可以在输出层使用ReLU函数这样的\(\hat{y}\)都大于等于0。

故理解为什么使用非线性激活函数对于神经网络十分关键